定型機專業生產廠家無錫前洲興華機械2019年12月26日訊 筒子紗染色與其它高能耗、高污染行業一樣，將節能減排作為未來發展的主要目標。通過染色工藝的改進、染色設備結構性能的提高和設計優化，降低加工過程中的水、蒸汽、電、染化料消耗，減少污水排放，是一條實現節能減排的有效途徑。經過長期的實踐應用，人們掌握了一些對染色性能有較大影響的參數，并對其采取相應的控制方式，既可滿足染色的質量要求，又能在一定程度上達到節能減排的效果。例如，小浴比條件下的染色，不僅能夠節省水和蒸汽、減少排放，而且還可提高活性染料的直接性，減少對鹽類的依存性，降低鹽類的消耗和污水助劑的含量。因此，小浴比是筒子紗染色節能減排的一個主要特征。
比流量是影響筒子紗染色質量的一個重要參數，過去一直認為取得越大越有利于勻染，但近年來的實際應用表明并非如此。過大的比流量，需要消耗很大的主循環泵功率，并且會使紗線產生毛羽，甚至將筒子紗沖垮塌，造成染液循環短路。實際上過去提高比流量，很大程度上是為了彌補由于泄漏而造成的染液有效循環量不足。而現在，人們通過對筒子紗的裝載接口密封性能的提高，減少了染液的泄露量，只要提供筒子紗染色實際所需的比流量，就完全可以保證染色質量。如果采用變頻技術控制染液有效循環流量，實現同步染色，那么將更有利于節能。
除此之外，采取染液強制對流加熱方式，可提高換熱效率，減少蒸汽的消耗量。將傳統的重力排放改為壓力排放，減少紗線的帶液量，可為水洗和脫水減少能耗。利用間接降溫余熱水進行同步水洗，既省水又省蒸汽。這些功能的出現，對染色加工的節能減排起到了不同程度的作用。
筒子紗染色實現節能減排的過程，與染色工藝和染色設備結構性能是分不開的。筒子紗染色在過去十幾年的發展過程中有了很大技術進步，設備與染色工藝的密切結合，除了對部分影響染色工藝的參數，進行了深入研究并找出規律，提出新的要求和控制方法外，還涉及到與節能減排相關的其它影響因素。制造商通過染色設備結構和控制的優化設計，在染色應用中已經獲得了一定成效，但還不能說達到了最佳效果，有些功效仍有待進一步探索和改進。因此，本文僅就一些最基本的、已經得到應用或者可能實現的功效作一簡述。
筒子染色技術的發展過程中，染色工藝參數和設備結構性能的改進始終起著重要作用。在能夠滿足紗線染色質量的基礎上，不斷對染色工藝參數和設備結構性能進行優化，很大程度上提高了節能減排的功效，其中兩個最重要的參數：浴比和比流量，是染色工作者多年來一直研究的對象。
1.1小浴比染色
傳統的小浴比概念是：筒子紗染色浴比在1：6就稱為小浴比。它必須在一定的工藝和設備條件下才能夠實現。在以水作為染色介質的筒子紗染色工藝中，采用小浴比是實現節能減排最直接也是最有效的手段。它不僅是在染色工藝的時間(最明顯是升溫時間)上，還是在能耗(水、蒸汽、染化料等)和排污上，都大為縮短和降低。因此，筒子紗實現小浴比染色具有十分重要的意義。
1.1.1小浴比的作用
實現小浴比染色，必須了解它對整個染色工藝產生的作用和影響，并采取相應的措施來保證。從實際應用來看，染料和助劑、染液與紗線的交換頻率是產生最明顯效果的部分。
(1)染料和助劑減少。等量的同種染料，在不同浴比染浴中的濃度是不一樣的。浴比高的顏色淺一些，浴比低的顏色要深一些。如果是要染成同樣的深淺，那么，浴比高的所用的染料要多一些，而浴比低的染浴所用染料則要少一些。這是客觀存在的事實。這里除了與染料的結構特性有關外，主要是與染料在不同浴比條件下所表現出的直接性有關。實驗表明，活性染料在低浴比條件下，上染率會提高。而促染劑(如鹽)的用量與其體積濃度(g/L)有關，溶劑(水)量的減少，也就減少了用鹽的總量，減少了鹽對環境所造成的污染。
許多染料需在一定的堿性條件下與織物纖維發生反應，如活性染料在堿性條件下與織物纖維形成化學鍵而固著，還原染料在堿性浴中進行還原。堿將染浴的PH值控制在一定的范圍內，高浴比要消耗大量的堿，相比之下，小浴比提高了染料的上染率，在相同堿性濃度F所消耗的堿量也小，染料的水解程度下降，有利于染深色，節省染料。
(2)染液與紗線的交換頻率。通常染色工藝都是以時間來控制染色過程的每個工序，在一定染色工藝條件下所需的時間，實際上是完成染料上染和固色過程所需的時間。實踐表明，溫度、浴比、染液和紗線的相對運動，對完成上染和固色過程所需的時間是有影響的，其中影響最大的是染液與紗線的交換頻率，而它又體現在二者的相對運動程度上。如果說染料上染和固色過程需要一定的染液和紗線的交換次數來實現，那么，完成一定交換次數所需的時間就反映出了染色時間的長短。
由此可見，要完成一定的染液和紗線的交換次數，交換頻率高的比交換頻率低的所需的時間肯定要短。因此，小浴比染色過程應通過染液與紗線交換次數來確定每個過程所需的時間，而不應套用大浴比的過程時間，否則，超出的時間里，只能做無用的運行，不僅紗線的表面容易產生毛羽，而且造成設備能力的浪費。
1.1.2染液單向循環
筒子紗為了保證紗層內中外的染料上染和固色達到均勻一致，染液循環通常都是采用內向外和外向內交替進行。染液雙向循環要求主缸內的所有筒子紗必須被浸在染液之中，如果沒有設備結構上的措施可以減少染液循環系統中的儲液量，那么浴比至少要在1：8以上才能滿足染液雙向循環的要求，否則，主缸內頂層筒子紗就會露出液面。染液單向循環只有內向外，而沒有外向內的循環，因此，可以將筒子紗露出染液，這就意味著浴比可以大為降低。
采用染液單向循環時，必須保證筒子紗之間、頂鎖等接口的密封性，同時，對染色工藝、筒子紗的密度、比流量以及主循環泵特性等方面都有一定要求。在設備結構上，采用高效離心泵可以提供穩定的比流量，每根筒子紗柱上加一個外套管，染液內向外穿過紗層后在筒子紗外部形成一定的靜壓腔，有利于外層紗的勻染性。染色工藝上，要注意溫度和加料的控制。有了染色工藝和設備結構性能的保障，完全可以進行染液單向循環染色。
1.2比流量的分析與選擇
在筒子紗染色技術中，涉及到一個非常重要的技術參數—比流量。它的基本概念是：每公斤紗線在單位時間內所穿過的染液量，其單位是：升染液/公斤紗線?分鐘(L/kg?min)。完成染色工藝過程的目的就是在設定的時間內，讓染料在紗線纖維上達到均勻的上染并固著在紗線纖維上。按照間歇式染色原理，被染物(這里指紗線)與染料必須在一定的接觸次數中，才能完成上染的三個基本過程：吸附、擴散和固著。在這個過程中，除了以溫度來控制上染速率的快慢外，主要是通過染液的循環，保證整個被染物(紗線)的溫度均勻性和與染料接觸均等。
因此，比流量在筒子紗染色中起著非常重要的作用，設備主泵流量選取的主要依據就是比流量。傳統的觀念認為，選擇較大的比流量可以提高染液(確切地講是染料)與紗線的交換次數，有利于紗線的勻染性。同時還認為，單個筒子紗的內、中、外色差，或者層與層之間的色差與比流量過小有關系。實踐證明，過去主要考慮的是理想中紗線與染液的交換頻率，也就是染液的循環頻率(因為紗線是靜止的)，而忽略了染液循環流量受循環系統(包括紗線的穿透)阻力的影響而發生的變化。正由丁這種變化影響的存在，使得實際上的染液循環流量并不是我們當初設置的數值，而是減去泄漏(占的比例較大)和克服阻力損失后所剩余的那部分流量。如果在這種流量條件下能夠將紗線染好，那么，我們假設將泄漏(通過結構的改進)降低到最低限度，并適當提高主泵揚程來克服阻力損失，是否可以降低當初設置的比流量呢？下面對此進行討論。
1.2.1實際染液循環
在染液實際循環系統中，由于設備結構的影響，染液循環時不可避免地產生揚程和局部阻力損失，而克服這些損失必須消耗一定能量。同時，系統中還存在一個非常大的阻力損失，那就是穿透筒子紗層的阻力損失。這些阻力損失統稱為壓力降損失，都是由對流體(即染液)產生強制循環的動力源一主循環泵的揚程來提供的。由流體力學原理得知：系統中壓力降與流體流速的平方成正比，也就是與流量的平方成正比(流量=過流面積×流速)。如果實際中能夠實現較大的比流量，單從染色這方面來考慮，對勻染性是有利的，但對密度較大的紗層(如經軸紗的密度一般在0.40～O.45g/cm3)，或者吸水后具有較大溶脹的紗線(如粘膠)，則會因為阻力增大而產生很大壓力降。這種壓力降必然會使主循泵特性曲線的工作點向較高揚程方向移動，流量也隨之下降，也就是說實際產生的流量已經發生變化，并不是原設定的流量了，而且主泵有可能沒有工作在特性曲線上的經濟效率范圍內(通常認為主泵在不低于最高效率的7%范圍內工作是經濟的)。出現這種情況，紗線中的染液循環流量下降，整個循環系統壓力增高，相當一部分染液可能從密封較差的接口泄漏，造成染液短路。因此，實際染液的循環是受到整個系統影響的。
1.2.2比流量的選擇
傳統筒子染色機的設計中普遍認為：紗線與染液的交換頻率，主要取決于染液的循環流量，因此比流量的選取都比較大，而對揚程的選取并不看得那么重要。按照這個要求，一般都是選擇混流泵，其特點就是大流量，低揚程。事實上，由于過去的設備結構上存在較大的缺陷，如頂鎖、換向裝置等容易產生很大的泄漏，造成染液循環短路，而為了保證一定的染液量必須穿過紗層，所以不得不將總流量的30～40%用于補充這部分泄漏。從這一點可以說明，傳統的比流量僅僅是一個名義值，并沒有反映出紗線染色實際需要的比流量。
筒子染色機可以通過結構的改進，提高循環染液的利用率，省去曾經作為補償泄漏的那部分流量，適當提高系統總體所需的揚程。這樣不僅可以滿足紗線密度或者容量增加而產生紗層阻力所需的能耗，而且還可以減少管路循環系統空間，提高主循環泵的使用效率。實踐證明，在保證循環系統有效染液循環率90%以上筒子染色機的比流量，可以選擇20 L/kg?min(傳統設計至少在35 L/kg?min以上)。由于按此比流量所選取主泵的比轉數小于300，屬于高比轉數的離心泵，因此可以減小主泵進、出口管徑，減少管路中的儲水量，降低染液浴比。
1.2.3低比流量的功效
通過上述分析可以看出，采用低比流量，只要染色機的結構性能能夠得到保證，不僅可以滿足染色質量要求，而且還可帶來節能減排的功效。具體有如下幾方面。
(1)主泵工作效率。選擇低比流量和較高揚程后，可以將過去采用的混流泵改為高比轉數(ns=200～300)離心泵，隨之而來的特性曲線也發生了變化。根據葉片離心泵設計理論，在流量一功率特性曲線上，離心泵的功率變化隨流量變化比混流泵快。由于現在筒子染色機主循環泵電機都采用了交流變頻技術，在保證主泵效率不變的條件下，可通過轉速變化給出不同的流量和揚程，所以基于離心泵的流量一功率變化特點，能夠在不同流量下減少功率消耗。
離心泵與混流泵相比，其流量一效率特性曲線也比較平緩，在流量變化的范圍內，偏離最高效率點的范圍也不會太大。這對筒子紗在裝載變化或者對遇水容易發生溶脹的纖維(如粘膠纖維)來說，流量在變化過程中，始終具有較高的工作效率。
(2)主循環系統容積。采用低比流量，主泵在相同總功率條件下，相對提高揚程可以增大克服紗層穿透阻力的能力。這樣不僅能夠充分保證被染物獲得均等的上染機率，還可以減少循環管路系統的容積，因為相同功率的離心泵進出口管徑一般比混流泵小。如果再通過結構的優化設計，又可達到進一步降低浴比的目的。
(3)筒子紗的勻染性。采用低比流量、高揚程后，密度較大的單個筒子紗(有經驗表明，純棉單個筒子密度可達0.45g/cm3)，由于染液主要從紗線纖維之間穿過，而不是從紗線之問穿過，所以可獲得較好的勻染性和透染性。主泵的揚程相對提高，還可將紗桿的染液過流口面積相對減少，增加筒子紗層(在實際應用中最高可達l7層紗)，并能使上下層筒子紗獲得均等流量。這對于大容量筒子紗染色來說，能夠更好地保證上下層筒子紗的勻染性。因此，低比流量提高了筒子紗的染色質量，減少了因染色質量問題而返修所造成的能源和時間浪費。
筒子染色設備的結構性能，是染色工藝的根本保證。小浴比在滿足染色工藝的條件下，主要是對染液循環系統空間盡可能縮小來降低浴比，近年來這方面也有了較大進步。主要體現在設備主結構和輔助功能的優化設計。
2.1設備主結構
筒子染色機主結構對整機性能起到至關重要的作用，長期以來，人們始終致力于染色質量和節能減排性能方面的改進和技術發展，并取得了一定成效。歸納起來有以下幾種設備主結構形式。
(1)將換熱器與主循環泵設計為一體并直聯于換向裝置，省去了相當一部分主循環管路，減少染液的儲存量。這樣即使不采用染液單向循環也可以降低浴比，并且具有較好的工藝操作性。目前，已經有越來越多的筒子染色機采用這種形式。
(2)對于容量不大(500kg以下)筒子染色機，采用小螺旋管的盤管式換熱器，并設置在主缸體下部封頭內。小螺旋管具有強化傳熱的效果，并且占用空間不大。主循環泵為多級軸流泵(增加揚程)，可正反轉進行換向。不需要換向器，省去了所有的主循環管路。
(3)采用(臥式)管式筒體，每根筒子紗柱都有各自的管式簡體，通過一定的方式并聯起來，形成不同容量的并聯組合。這種形式的主循環系統容積大概是目前筒子染色機中最小的，因此浴比很小(據介紹最低浴比可達1：3)。這種形式的染色機需要配置一些自動裝卸的輔助設備，否則裝卸的勞動強度大。這樣一來，設備的總體投入成本提高，也許是用得起的廠家并不多。但從節能減排、提高生產效率(可采用自動裝卸紗)方面來講，是值得推廣應用的。
(4)染籠紗桿采用非等同心圓分布，可在容積相等的條件下增加容紗量，減少筒子紗柱之間的空間，降低浴比。這實際上是染籠紗桿的優化排列。
2.2輔助功能
以上是對筒子紗染色的工藝或者設備結構性能的參數(浴比和比流量)提出的優化設計，在節能減排方面能夠起到非常重要的作用，許多技術性能先進的設備已經得到了應用，并且也產生了明顯效果。然而一些輔助功能對節能減排產生的作用和影響，往往被人們所忽視。實際上：，這一部分仍然可以進行結構和功能上的優化設計，達到節能減排的功效。這里簡單談一下這方面的問題。
2.2.1高效換熱
目前比較先進的筒子染色機都是采用外置管殼式換熱器，其主要目的是為了提高換熱效率。從傳熱學來講，高溫流體(如蒸汽)走殼程，而低溫流體(被加熱的染液)走管程，并且將換熱器設置在主循環管路中，加快管程中低溫流體的流速j非常有利于換熱效率的提高和減少蒸汽的浪費。當然，這種結構形式會提高設備的制造成本，使用者一次性設備成本投入可能較高，但能夠獲得長久經濟效益。
小浴比筒子染色機所采用的管殼式換熱器，還可考慮縮小換熱列管的通徑，以獲得較高的主循環染液在列管中的流速。這樣做將有利于傳熱的強化，提高換熱效率。甚至有可能將殼程外表面(與大氣接觸散熱)再增加一夾層，利用這部分換熱面積來加熱染液，減少熱量的損失。
2.2.2水洗受控
水洗效果是小浴比染色的關鍵技術，水洗是否充分關系到色牢度的好壞。傳統的溢流水洗方式，是通過溢流稀釋殘留染液來達到要求的，往往耗水量非常大。小浴比如果采用傳統的稀釋水洗，不但耗水量更大，而且水洗的效果也很差，失去了小浴比節水的意義。因此，小浴比的水洗應采用連續式水洗，將水洗過程分階段，分別以水流速度、溫度變化的不同組合進行控制，以最少的耗水和最短的時間達到最佳的水洗效果，實際上是對水洗進行受控。
2.2.3壓力脫水
壓力脫水是利用壓縮空氣多次擠壓(或稱為壓榨)筒子紗，將所含帶的液體分離出去，具有節能減排的效果。首先，在染色完畢并排放主體廢液后，紗線中還含帶或吸附大量殘余染液，要通過后續的水洗進行去除。通常是采用溢流式水洗，大量的殘余染液濃度比較高，需要多次進行稀釋，耗水耗時間。其次，水洗完畢排液后出紗，吸附大量水的紗線增加了脫水的能耗。然而，如果在這些后續工序之前增加一道壓力脫水過程，那么可以排除大量殘余染液或水，提高了水洗效果(增加水洗梯度)，降低消耗。目前，比較先進的筒子染色機配置了這項功能，但因密封的原因還沒有達到最佳效果。
2.2.4余熱回用
染色的加熱過程中，提高換熱效率，減少熱能消耗，是實現節能減排的一項有效措施，在設備結構性能和工藝過程中已經得到了一定程度的體現。那么，我們在染色過程中某個程序(如染色程序結束)完成之后，要排放廢液，并且又要入熱水來進行水洗又是怎樣做的呢？若按傳統的做法是：先排放廢液(熱量被浪費)，然后再需要熱量來加熱冷水，其結果造成了很大的熱能浪費。
如何充分利用廢液(包括間接換熱的冷凝水)中的余熱，已經引起了設備制造商和使用者的高度重視。只要通過設備的輔助裝置，余熱可以有效地加以利用。例如，熱交換器的同步降溫，就是將保溫后的降溫冷水與廢液的余熱交換后用于水洗，而降溫后廢液還省去了排入污水處理池之前的降溫處理過程。可謂一舉兩得。
同步染色的概念是：根據染料在被染物上的上染和固色規律，以及溫度、流量、浴比和助劑產生的影響，給予一個合理的染液循環流量，以最少的能耗達到染色質量要求。顯然，采用同步染色能夠有效地利用能源。通過分析染色過程的流量變化規律，可以設置同步染色的控制功能。
3.1染色過程的流量作用
固定的染液循環流量在同一染色過程中，并非總是能夠發揮最佳效果。分散染料在聚酯纖維的玻璃溫度以下幾乎不上染，劇烈運動的染液會使它產生凝聚，染淺色的保溫階段幾乎沒有更多的染料上染等等現象，都說明始終不變的染液循環流量只會消耗更多的功率，并且染液頻繁穿過紗線表面會產生毛羽。此外，經軸紗以及在水中溶脹性較大的纖維(如粘膠)或收縮性大的長絲，由于紗線的密度在染色過程中發生的變化會影響染液循環流量，如果發生在上染最快的時間段里，就有可能造成動力邊界層內染料供應不足而出現上染不均勻。由此可見，染液循環流量的大小，對保證紗線質量，減少過度染液循環起著很重要的作用，必須通過同步染色來控制。
3.2同步染色的控制
對于流量的作用和影響，我們可以根據染料在不同溫度或者不同密度上染的規律，給予相應的染液循環流量控制，在染料上染快和慢的時間內進行增減染液循環流量，就能夠有效地保證紗線染色質量，同時又可節能。同步染色在設備上，主要是通過主循環泵的交流變頻控制循環染液流量來實現的。循環染液流量最好是采用流量計檢測并可反饋信號給電腦，再由PLC實時控制主循環泵轉速。不過，目前大部分還是由時間或者壓差的變化量檢測，效果肯定有差異，其原因可能是成本價格。主循環泵應充分考慮其特性曲線，從目前的使用效果來看，選擇高比轉數的離心泵比較適合，特性曲線平緩，有利于紗層壓力的穩定性。
筒子紗的松式絡筒密度和重量對染色質量有很大影響，是保證筒子紗染色質量的前提。過去的筒子染色機由于技術水平和結構性能的限制，設計者沒有真正了解和掌握循環染液在筒子紗中流動規律，普遍認為：筒子紗的松式絡筒密度不宜過大，否則會影響染液的穿透力，造成單個筒子紗內中外色差。而現在的應用表明，在低比流量條件下，由于有較高的染液循環系統壓力(前面講到的主泵揚程)，并且染液泄漏很少，染液完全可以穿透密度較大的紗層。筒子紗絡筒密度的提高，染液是從紗的纖維之間穿過，并且紗線各點與染液可獲得均等的接觸(尤其是圓柱形兩端最外圈部分)，為整體筒子紗纖維提供了均勻上染的條件。因此，只要有沒備性能的保證，純棉筒子紗密度在0.409/cm3以上可得到更好的勻染性。
在筒子紗染色中，單個筒子紗的紗層厚度通常不大于50mm(主要是考慮到染液的穿透能力)，絡筒密度也是有限制的，所以單個重量在lkg左右。一般容量大的筒子染色機，筒子紗的數量也多，形成了很多筒管之間的接口，不僅增加了泄漏點，而且裝卸紗的勞動強度高。如果是長絲類的筒子紗，單個重量在1.2kg，那么紗線接頭增多，給下游工序如織造帶來了一定的麻煩。為此，現在已有向大筒子紗染色發展的趨勢(單個重量達到2kg～5kg)，通過增加長度(紗層厚度基本不變)來加大重量，減少泄漏點和紗線接頭。這樣有利于降低比流量和提高生產效率。當然，這對松式絡筒機和染色機的性能有更高的要求。
上述筒子紗染色節能減排的一些功效，僅僅是從優化設計方面來考慮的，并不見得全面。節能減排是一項涉及面較廣而復雜的工作，尤其是有水染色過程，不斷將取用的新鮮水(有限的資源)變成被污染的水，就注定了是個污染工藝。面對這種狀況，我們只能一方面尋找其它加工途徑(如超臨界C02染色)，另一方面必須對目前的設備和工藝進行不斷改進，求得能耗和污染的降低，并且對廢水處理后的二次回用。
由此可見，筒子紗染色實現節能減排，在沒有徹底擺脫以水作為染色介質的工藝階段，設備結構性能和染色工藝過程是起著較大作用的，只有將二者密切地結合起來，對每一個功能或者過程進行優化設計，找出具有節能減排的功效，才能夠達到節能減排的最終目的。為此，一方面設備制造商要不斷設計出具有節能減排功效的機器，另一方面需要使用者具有高度的節能減排意識和強烈的社會責任感，盡快淘汰那些能耗高污染大的工藝設備，積極采用先進的工藝技術裝備。
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